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弹射座椅气动参数的数值计算

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弹射座椅全姿态关系式在弹射仿真中的应用

弹射座椅全姿态关系式在弹射仿真中的应用
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ａｔ ｕ ｅ ｆｒ ｕ ａ ｗ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｈ ｅ ｅ ａ ｍｅｈ ｄ ｆｒｓ ｌｃ ｉｇ ｉ ｉ ａ ａｕ ｆｓ ａ ｔ ｔ ｄ ａａ — ｔ ｔ ｄ ｏ ｉ ｍ ｌ ａ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔｉ ａ ｅ ．Ｔ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔｏ ｅ ｅ ｔ ｎｔ ｌ ｌ ｅ ｏ ｅ ｔ ｔ ｕ ｅｐ ｒ ｍｅ ｎ ｌ ｏ ｎ ｉ ｖ ａｉ
ｔｒ ａ ｄ ｔ ｅｓ ｏ ｅｏ ｌ ｔｉ ｄ ｏ ｕａ ｗ ｒ ｌ ｅ ｅｉ ｔ ｕ ｅ ．Ｔ ｅ ａｔ ｕ ｅ ｅｒ ｒｏ ｌ ｈ ｌ ａ ｔ ｍ ｏ ｈ ｌ ｔ ｄ ｒｏ ｆａ ｉ ｌ—ａｔ ｕ ｅ ｆｒ ｕ ａ ｉ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｔ ｔ ｄ ｍ ｌ ｏ ａ ｅ ｉ ｉ ｏ ｓ ｈ ｇ ｎ ｒ ｌ ｔ ｏ ｄ ｅ ｅ ａｔ ｕ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ｈ ｏ ｇ ｉ ｌｔ ｎ Ｓ ｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｌ — ａｔ ｕ ｅ ｆ ｒ ｕａ ｅ ｅ ａ ｈ ｄ ａ ｖ ｒ ｔ ｔｄ ｏ ｄｔ ｎ ｔ ｒｕ ｈ ｓｍｕ ａｉ ． ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔｅ ａｌ ｔｉ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｉ ｉ ｏ ｏ ｓ ｔ ｍ ｌ
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Ｋ Ｙ ＯＲ Ｓ：ｊｃｏ ｅｔ ｄｅ ｅａｔｕ ｅＥｅｔ ｎｓ ｕａｉ ；ｕｅ ｔｔｄ ｎｌ Ｅ Ｗ Ｄ Ｅｅｔ ｎｓａ； ｖｒ ｔｔｄ ；ｊｃｉ ｉ ｌ ｏ Ｅ ｌｒ ｔｕ ｅａｇ ｉ Ａ ｓ ｉ ｏ ｍ ｔｎ ａｉ ｅ
ＦＥＮＧ ｅ Ｗ ｎ—ｃ ｕ ＬＩ Ｇｕ ｈ ｎ， Ｎ ｉ—ｐ ｎ ｉｇ
（ｃ ｏｌ ｆ ｅｏａｔ ｓ ｃ ｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｂ ｉｎ ｎ ｅｓｙｏ ｅ ｎｕｉ ｎ ｓｏａｔ ｓ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ Ｃ ｉ ） Ｓ ｈｏ ｏ ｒ ｕｉ ｉ ｃ ｎ ｎｉ ｅ ｎ ， ｅ ｉｇＵ ｉ ｒ ｔ ｆ ｒ ａ ｔｓａｄＡ ｔ ｎｕｉ ， ｅ ｉｇ１０ ８ ， ｈｎ Ａ ｎ ｃＳ ｅ ｎ ｉ ｊ ｖ ｉ Ａ ｏ ｃ ｒ ｃ ｊ ａ

流场分析在弹射座椅研制中的应用

流场分析在弹射座椅研制中的应用

流场分析在弹射座椅研制中的应用摘要:本文利用Fluent软件对弹射座椅火箭发动机内流场和喷管羽流rocket efflux,以及座椅弹射二维空间流场进行了数值模拟,并对在座椅研制过程中开展整个座椅弹射空间流场分析的重要性进行了论述。

对于座椅弹射火箭内弹道和结构设计,以及双座弹射过程中喷管羽流的危害评估都具有一定的指导作用,对加强弹射座椅的安全防护和结构改进也有一定的借鉴作用。

关键词:弹射座椅弹射火箭流场分析流场分析就是对所研究的流动区域进行数值分析,从而确定所研究区域内相关流动参数的基本规律。

随着计算机技术的高度发展和应用,数值计算方法得到了迅猛发展,数值分析方法已成为一种非常重要的研究手段。

而计算机技术和数值分析方法与流体力学技术的高度结合,就形成了利用计算机和数值分析方法来求解满足定解条件的流体动力学方程,以获得流动规律和解决流动问题的专门学问,即计算流体动力学(简称CFD)。

随着计算机技术的迅猛发展,计算流体力学在航空、航天、气象、海洋、输油、建筑和汽车设计等领域得到了广泛的应用,并发挥了巨大的作用。

在产品研制过程中开展流场分析,对流动过程进行数值分析和模拟,不仅可以为产品设计人员提供设计依据和指导,对产品故障和事故进行失效模式分析,而且还可以对产品试验进行动态模拟和仿真,从而节约大量的试验费用。

正因为流场分析的这些重要作用,一些与流动相关的民用行业,如空调、污水处理以及环保等也相继投入大量的人力和物力来开展此项工作。

作为飞行员应急逃生的工具,弹射座椅不仅有作为动力装置的火箭发动机,而且座椅与人在弹射过程中与空气发生剧烈的相互作用,因而在座椅研制过程中,对火箭发动机内、外流场以及座椅弹射过程中的空间流场都应该进行细致、全面的分析。

1 流场分析的内容和手段简单说来,流场分析主要包括三个方面的内容:建模,求解和后处理。

建模主要包括绘制物理模型,进行网格划分和设定边界条件等,物理模型的绘制可以使用一些常用的二维或三维设计软件,如CAD、Solidworks或UG、PROE等。

座椅靠背发泡材料参数

座椅靠背发泡材料参数

座椅靠背发泡材料参数包括密度、硬度、回弹率等。

1. 密度：一般以千克/立方米（Kg/m³）表示，需要根据使用环境来选择。

高密度、高回弹的材料更适合需要支撑力和回弹性的场景。

2. 硬度：用一定的压力在一定的时间内压缩泡棉，最终测得的压缩高度，一般用N/㎡表示。

硬度与密度密切相关，一般来说相同密度下，硬度越高，泡棉就越硬。

3. 回弹率：用相同的力量压缩泡棉一定的时间（比如25%压缩2小时），然后松开力量，测量泡棉回弹后的高度，回弹率的计算公式为（回弹高度/压缩高度）x100%。

座椅泡棉的回弹率需根据使用环境来选择，高回弹率的泡棉会更适合于需要更好的支撑力和回弹性的场景。

这些参数会因具体产品和用途而异，如果您想了解更多信息，建议咨询相关技术人员。

飞机弹射救生系统人椅离机阶段(自由飞)受力及影响分析

飞机弹射救生系统人椅离机阶段(自由飞)受力及影响分析

3 、各种 参数 的 影 响
• 1. 气动 力 系数 的 影 响 • 气动 力 参 数对 最 低 救生 高 度 有很 大 的 影响 ， 而这 种
影 响 主 要受 飞 机 飞行 姿 态 的限 制 。平 飞 时（ 飞 机 滚 转 角 o=0fγ ），升力 系数大 则最 低安 全 救生 高度 最 小 ； • 倒 飞时 （ 飞机 滚 转 角 o=18 0 fγ ）， 由于 变 成向 下 弹射 ， 所以 气 动力 系 数的 影 响 正 好与 平 飞时 的 相 反。 俯 冲 时， 气 动升 力 对 最低 救 生高 度 无 影响 。
4
弹射重力G
5
稳定伞阻力、俯仰阻尼等
2、座椅运功过程中受力分析
• 2.1 气 动阻 力 Q • 把气 流 坐 标系 转 换 到地 面 坐 标系 上 ， 气 动阻 力 在 地
面 坐 标 系三 个 轴 上的 投 影 可依 据
• 其中 ， • 把上述两个式子 代 入 ，可 得 气 动阻 力 在 各轴 上 的 分力
照 下 式 求得 ：
2、座椅运功过程中受力分析
• 同理 可得 ：
• 式中，γ为弹射救生系统的滚转角。
• 2.4 弹 射重 力 G • 由于 重 力 的方 向 始 终向 下 ， 即 指 向 y 轴， 所 以 弹 射救
生 系 统的 弹 射 重力 在 各 轴上 的 分力 为 ：
2、座椅运功过程中受力分析
• 2. 飞 机飞 行速 度 的影 响 • 对于 不 同 的飞 机 滚 转角 ， 弹 射救 生 系 统会 有 不 同 的
弹 射 方 向， 从 而 影响 变 化 规 律 。 随 着 飞 机 飞 行 速 度 的增加，最低安全救生高度也在增加，在飞机滚转 角o=0fγ 的情 况 下， 这 种 增 加几 乎 呈 线 性变 化 。

弹射座椅性能分析软件研制

弹射座椅性能分析软件研制

第29卷第1期2005年2月南京理工大学学报Journa l of Nan ji n g Un i versity of Sc i ence and Technology Vol .29No .1Feb .2005　收稿日期:2004-05-073基金项目:南京航空航天大学青年基金(s0114-014)33作者简介:余莉(1969-),女,江西九江人,讲师,博士生,主要研究方向:人机环境工程与安全救生,E 2mail:yuli_happy@ 。

弹射座椅性能分析软件研制3余　莉33,明　晓,张治华(南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016)摘　要:针对目前弹射救生研究领域存在的研究周期长、费用高等问题,利用Java 2技术及最新VC++编程环境,开发了一个弹射座椅性能分析的软件系统,提高了弹射座椅性能分析的精度和速度。

该软件主要包括面向对象的界面设计,数据库建立,性能分析和图形显示4部分内容。

最后以HTY4型座椅为例,模拟了其在某型飞机上的弹射情况,与试验结果吻合较好,说明该软件系统具有很好的应用前景,能为弹射座椅的设计、制造厂家及应用单位提供服务。

关键词:弹射座椅;性能分析;软件设计;数据库中图分类号:V 244.2,TP 319 文献标识码:A 文章编号:1005-9830(2005)01-0013-04Develop ment of Perfor mance Analysis Software forEjecti on Seat Syste mY U L i,M I N G Xiao,ZHANG Zhi 2hua(College of Aer os pace Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing 210016,China )Abstract:Ejecti on 2seat syste m p lays a very i m portant r ole in lifesaving f or a fighter p lane .So a good and reliable ejecti on seat technol ogy should be well devel oped .Based on the existing p r oble m s such as high cost,ti m e 2consu m ing in the research of ejecti on seat syste m s,a perf or mance analysis syste m using s oft 2ware Java 2and V isual C ++was devel oped .It includes object 2oriented interface design,database es 2tablish ment,ejecti on perf or mance analysis and the graphic dis p lay .I n virtue of this s oft w are,the calcu 2lati on s peed and accuracy for ejecti on perf or mance analysis is greatly increased .An ejecti on p r ocess of HTY4syste m using this s oft w are syste m was si m ulated .The calculati on result fits the experi m ental re 2sults .This achieve ment is hel pful t o design and t o manufacture the ejecti on seat syste m.Key words:ejecti on seat;perf or mance analysis;s oft w are design;databases 弹射救生技术是现代飞机保证飞行员正常工作和作战效能,并在飞机出事的情况下,拯救飞行员生命的一项不可缺少的关键技术。

火箭弹射座椅运动稳定性能数值仿真研究

火箭弹射座椅运动稳定性能数值仿真研究

火箭弹射座椅运动稳定性能数值仿真研究作者：吴亮吴铭来源：《科技资讯》 2015年第10期吴亮吴铭（航宇救生装备有限公司应用技术部湖北襄阳 441003）摘要：稳定性是火箭弹射座椅的一项重要性能指标，对座椅进行稳定性分析是座椅研制过程中的重要工作。

该文以火箭弹射座椅为研究对象，采用六自由度性能仿真方法对火箭弹射座椅的运动性能进行研究，以三向角速度为指标对座椅稳定性进行评估分析，客观分析了弹射座椅的稳定性能。

关键词：火箭弹射座椅稳定性数值仿真研究中图分类号：V445文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）04（a）-0004-02弹射座椅的稳定性对飞机弹射救生安全具有十分重要的意义，弹射座椅的稳定性，是其能否达到安全救生的重要因素。

由于弹射座椅的外形不规则，呈钝头形，人-椅系统在与飞机分离后，受气动力的作用，人-椅系统运动将更不稳定。

人椅系统的不稳定运动将引起一系列的严重后果，轨迹降低，局部过载增大，旋转直接损伤人体以及人椅分离时救生伞发生缠绕等。

因此，不稳定的弹射座椅不能保证安全救生。

该文通过建立弹射座椅六自由度仿真软件，对火箭弹射座椅的运动稳定性能进行数值仿真研究，以三向角速度为指标对火箭弹射座椅稳定性能进行评估分析。

1 数学模型对弹射座椅运动稳定性能进行数值仿真研究，必须首先建立弹射座椅在自由飞阶段（人-椅系统脱离飞机座舱的弹射导轨开始至人椅分离系统工作、射出救生伞为止）的六自由度数学模型。

在自由飞阶段，弹射座椅运动主要受到火箭包推力、气动力、重力的影响，该文通过结合座椅基本参数、弹道运动理论基础，建立了座椅动力学、运动学方程，编制了弹射座椅运动稳定性能数值仿真软件，对弹射座椅进行运动稳定性能数值仿真研究。

1.1 动力学方程1.2 运动学方程2 数值仿真根据座椅实际及仿真分析需要，该次仿真工况为不同百分位数飞行员与座椅组合的人-椅系统在飞机平飞时（横滚角、俯仰角、偏航角均为0）在不同速度下自由飞过程中的人-椅系统的三向角速度。

密闭式弹射座椅稳定减速技术研究

密闭式弹射座椅稳定减速技术研究作者：罗经纬冯光辉张大林陈维健来源：《航空科学技术》2018年第12期摘要：建立了适用于临近空间条件下的密闭式弹射座椅模型，采用计算流体力学（CFD）方法研究了座椅的外流场。

根据外流场研究结果设计了两种可能的稳定减速方案，通过比较气动特性，选取了较优的稳定减速方案。

最后，通过性能计算方法研究了座椅出舱后的运动情况，对稳定减速方案的参数进行了优化。

关键词：密闭式弹射座椅;临近空间，稳定减速技术;CFD仿真中图分类号：V244.21+2 文献标识码：A临近空间涵盖距离地面20～100km的空域[1]，介于传统的航空与航天活动范围的中间。

处于该区域的飞行器向上可攻击在轨飞行的卫星，下可攻击地面目标和传统的航空器，常规导弹武器却难以对高超声速巡航的临近空间飞行器构成威胁。

临近空间飞行器正成为各国争相研究的热点，而临近空间飞行器同样面临乘员救生问题。

目前敞开式弹射座椅的救生包线为高度0～30km，马赫数不大于3，仍无法解决30km以上的救生问题[2]。

考虑到临近空间的大马赫数下的气动热效应，密闭式弹射座椅是临近空间条件下救生问题的可能解决方案之一。

稳定减速是救生系统要解决的基本问题：（1）受救生伞性能限制，救生伞必须在一定的速度范围内才能开伞，因此，救生装置出舱后，必须经历一个减速过程，以减速至允许开伞的速度范围内。

（2）受人体生理耐限限制，在开伞前的运动过程中，人-椅系统的角度和角速度必须保持在一定范围内，以免超出人体生理耐限，对人体造成损伤。

（3）救生伞射出瞬间，人-椅系统必须保持良好的姿态，以免人、椅、伞三者发生干扰，影响救生。

弹射座椅的稳定性主要是指稳定减速的过程中，弹射座椅的姿态角和角速度保持在可接受的范围内。

减速性能指的是弹射座椅从弹射出舱减速至开伞速度的时间。

减速性能主要取决于弹射座椅的阻力特征。

目前，临近空间飞行器和相关的救生技术在国内尚处于理论研究阶段。

采用仿真建模与分析的方法，对密闭式弹射座椅的稳定减速方案开展研究，分析密闭式弹射座椅的外流场分布情况和出舱后的运动特点，可对未来的工程设计提供参考。

gjb 257-2002

gjb 257-2002
GJB 257-2002，即《飞机弹射座椅通用规范》，是我国军用飞机弹射座椅的国家标准。

该标准规定了飞机弹射座椅的术语和定义、分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等方面的内容，是飞机弹射座椅设计和生产的重要依据。

该标准的目的在于提高飞机弹射座椅的安全性、可靠性和舒适性，保障飞行员的生命安全。

在分类方面，GJB 257-2002按照飞机弹射座椅的不同类型和应用场景进行了详细的划分，包括但不限于单人座椅、双人座椅、战斗机座椅、轰炸机座椅等。

在要求方面，GJB 257-2002对飞机弹射座椅的材料、结构、性能等方面提出了具体的要求。

例如，座椅的材料必须符合国家军用标准，结构必须牢固可靠，性能必须稳定可靠等。

在试验方法方面，GJB 257-2002规定了飞机弹射座椅的各项性能试验方法，包括强度试验、振动试验、温度试验等。

这些试验方法能够全面检测飞机弹射座椅的性能和质量，确保其符合国家军用标准。

在检验规则方面，GJB 257-2002规定了飞机弹射座椅的检验规则和检验周期，以确保生产出的座椅符合要求。

检验规则包括型式检验和出厂检验，检验周期根据不同类型和用途的座椅而定。

总的来说，GJB 257-2002是我国军用飞机弹射座椅设计和生产的重要标准，对于
提高我国军用飞机弹射座椅的安全性、可靠性和舒适性具有重要意义。

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究刘富;童明波;宋杰;谭率【摘要】针对国内弹射救生领域现状,设计了一种适合于国内某型座椅的弹射救生系统稳定板.运用计算流体力学(CFD)数值计算方法,对改装稳定板前后的人椅系统进行了高速流场下的静态和动态特性分析,并与风洞试验结果进行对比,两者吻合较好.改装稳定板前后的数值计算对比表明:在不对俯仰和滚转性能产生不利影响的情况下,稳定板的改装对人椅系统的偏航性能有比较明显的改善.六自由度动态计算比较真实地模拟了弹射出舱的过程,也进一步验证了稳定板对改善偏航稳定性能所起到的作用.数值计算完全可以应用于弹射座椅的气动研究,同时稳定板的设计对工程上的应用具有一定的参考价值.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2010(028)002【总页数】6页(P203-208)【关键词】弹射座椅;稳定板;CFD;嵌套网格;偏航稳定性【作者】刘富;童明波;宋杰;谭率【作者单位】南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016;南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016;上海飞机设计研究院,上海,200232;航宇救生装备公司,湖北,襄樊,441003【正文语种】中文【中图分类】V244.210 引言弹射座椅作为飞机上重要的救生装置,其高速弹射阶段的人椅系统姿态(俯仰、偏航、滚转)稳定性是衡量该座椅性能好坏的重要指标之一。

当今弹射系统的稳定装置大致分为硬式稳定装置(稳定杆和稳定板)、软式稳定装置(稳定伞和达特系统)和姿态控制动力装置三种形式。

现役的我国自主研制的第三代弹射座椅主要有两种稳定方式:以TY6座椅为代表的稳定伞方式和以TY5座椅为代表的出舱稳定装置加稳定伞的组合稳定方式。

通过对二级动力偏心距的调整以及安装出舱稳定装置,较好地解决了座椅的俯仰稳定性。

但目前我国现役的第三代弹射座椅的偏航稳定性一直未能获得很好的解决[1]。

弹射座椅气动参数的数值计算


维普资讯
５ ４
中国工程 科 学
第 ９卷
Ｎ ｖ ｒ ｔ ｅ 方程 ，简称 Ｎ—ｓ方 程 。 对 Ｎ—ｓ方 ａｉ —Ｓ ｋｓ ｅ ｏ 程求 解可 使计 算结 果能 够更 好地 反映 真实 的流 场 。 对 Ｎ—ｓ方程 的 求解 采 用 有 限容 积 法 ，首 先 建
［ 要］ 摘
为了解决弹射座椅研究中风洞试验不足和气动参数缺乏的问题，尝试了采用计算流体力学 （Ｆ ） Ｃ Ｄ
方 法 ，利 用 Ｃ Ｄ计 算 软 件 Ｆｕｎ求 解 Ｎ—Ｓ方 程 ，对 弹 射 座 椅 的 外 流 场 进 行 数 值 计 算 ，求 得 了弹 射座 椅 不 同 姿 态 Ｆ ｌｅｔ
下 的 气 动 参 数 值 ，并 将 部 分 气 动 参 数 与 风 洞 试 验 的 测 量 值 进 行 了 对 比 ，结 果 发 现 ，计 算 结 果 与 试 验 值 的 变 化 趋 势 完 全 相 同 ，大 多 数 计 算 值 与 试 验 值 的误 差 都 在 ｌ 以 内 ，能 够 满 足 工 程 计 算 的 需 要 ，可 以 作 为试 验 值 的 补 充 ０％
方程 、附面层 的 Ｎ—ｓ方 程 到 求 解 全 流 场 Ｎ—ｓ方 程 的数 值方 法 。 目前 ，Ｃ Ｄ已经 成功 用 于座椅气 动 Ｆ
ｌ 计 算 原 理
１１ 计算 原理 及过 程 ． 用计 算流 体力 学方 法对 弹射 座椅 的外 流场进 行
特性 的计算 ，包 括亚声 速 、跨 声速 和超 声速 气动 特
ห้องสมุดไป่ตู้
计算 就是 采用 数值 计算 的方 法对 描述 弹射 座椅外 流
场的控 制 方 程进 行 求 解 。描 述 流 体 流 动 一 般 采 用
［ 金 项 目 ］ 航 空 基 础 科 学 基 金 资 助 项 目 （３ ５０ ８ 基 ０ Ｅ １４ ） ［ 者简介】 作 郁 嘉 （９９一） 男 ． 上海 市 人 ．北 京 航 空 航 天 大 学博 士研 究 生 １７ ．
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下的气动参数值 ， 并将部分气动参数与风洞试验的测量值进行了对比 ， 结果发现 ， 计算结果与试验值的变化趋 势完全相同 ， 大多数计算值与试验值的误差都在 １０ ％ 以内 ， 能够满足工程计算的需要 ， 可以作为试验值的补充 和替代 。 通过 CFD 方法在弹射座椅气动参数计算中的应用 ， 可以看到 CFD 方法在弹射座椅的研究中有着广阔的 应用前景 。
２
采用 k － ε 模型求解湍流流动问题时 ， 控制方 程有连续方程 、 动量方程 、 能量方程 、 k － ε 方程 和湍流粘度方程 。 这一方程组引入了 ３ 个系数 C１ ， C２ ， Cμ 和 ２ 个 常 数 σx ， σε 。 这 里 C１ ， C２ ， Cμ ， σx ， σε 均 取 常 数
生系统气动数值模拟研究项目 ， 经过近 １０ 年的努 力 ， 成功开发出两套基于 N － S 方程的弹射救生系 和 CFD － FASTRAN 和 配 套 的 前 后 置 处 理 软 件 ， 进 应用 ， 在同类计算中处于领先水平
［３］
统气动 数 值 模 拟 与 分 析 软 件 平 台 ， 即 CFD － ACE
图 ７ 、 图 ８ 、 图 ９ 分别表示速度为 ５０ m桙s 和无
５６
中国工程科学
第９卷
Fig畅７ Drag coefficient as function of attack angle ， comparing computation and experiment
图 7 阻力系数计算值与试验值比较
２ ［５］
计算中引入湍流模型 ， 为此采用了使用最为广泛的 ：
式中 Cμ 为常数 ； k 为湍流动能 ； ε 为湍流动能耗 散率 。 湍流动能输运方程为 ρ 矪k 矪k 矪 ＋ ρuj ＝ 矪 xj 矪t 矪 xj μi μ ＋ μj 矪 k · σk 矪 xj 图 4 攻角为 0°时的流场流线图 Fig畅４ Attack angle ０°path line
特性的计算 ， 包括亚声速 、 跨声速和超声速气动特 性的计算 。 美 国 海 军 和 英 国 Martin － Baker 公 司 曾 用 CFD 方法对 ACES － Ⅱ 座椅气动性能
［１］
、 座舱抛
［２］
盖过程 、 弹射过程中头盔的气动特性等专题
［ 收 稿 日 期 ］ ２００５ － １１ － １５ ； 修 回 日 期 ２００６ － ０７ － １７
图 1 弹射座椅 CAD 几何模型
件 ， 即扰动波不会反射回流场 。 所有与流体相接触 的弹射座椅壁面都采用了无滑移的固壁边界条件 ， 并在近壁面区采用标准壁面函数 重力对流场的影响 。
［４ ］
。 计算中忽略了
Fig畅３ Mesh of fluid region
图 3 流场区域网格
第６期
２００７ 年 ６ 月 第 ９ 卷第 ６ 期 学术 论 文
中国工程科学 Engineering Science
Jun ．２００７ Vol畅９ No畅６
弹射座椅气动参数的数值计算
郁 嘉 ， 林贵平
（ 北京航空航天大学航空科学与工程学院 ， 北京 １０００８３）
［摘要 ］ 为了解决弹射座椅研究中风洞试验不足和气动参数缺乏的问题 ， 尝试了采用计算流体力学 （ CFD）
Fig畅１ CAD model of ejection seat 1畅3 网格划分 网格划分采用专用网格划分软件 。 由于弹射座 椅的外形非常复杂 ， 网格划分采用了三维非结构化 网格 。 网格的质量对数值模拟的结果影响很大 ， 过 密和过疏都不利于计算 。 网格过疏往往得到不精确 甚至完全 错误 的解 ， 有 时 还 会 造 成 计 算 结 果 不 收 敛 ； 而过密的网格会大幅度增加计算量 ， 不仅对计 算机硬件的 要 求 较 高 ， 而 且 增 加 了 计 算 时 间 。 因 此 ， 确定一个合理的网格数目和网格分布是网格划 分的关键 ， 需要根据计算结果反复调整网格数目 ， 直到网格数 目的 增加 对计 算结 果 不 再 有 显 著 的 影 响 。 在流场梯度 （ 速度梯度 、 压力梯度等 ） 较大的 区域需要足够细密的网格 ； 而在流场梯度较小的区
Fig畅９ Pitch moment coefficient as function of attack angle ， comparing computation and experiment 此外 ， 通过比较计算值与试验值可以看出 ， 计 算得到的气动参数与风洞吹风得到的气动参数在数 值上也是比较吻合的 。 由于对几何模型进行了简化 以及网格划分和计算所带来的误差等原因 ， 计算值 与试验值仍然会有一些偏差 。 比较 ３ 个气动参数的 计算值与试验值的偏差发现 ， 俯仰力矩系数值的偏 差比较大 ， 除了是由于俯仰力矩系数的计算误差是 由升力系数和阻力系数的计算误差共同影响的结果 外 ， 计算时所用的重心位置与试验时的重心位置不 一致也是俯仰力矩系数误差较大的重要原因 。
Fig畅２ Surface mesh of ejection seat 1畅4 边界条件和计算方法 边界条件是在求解区域上求解的变量或其一阶 导数随地点和时间的变化规律 。 由于是对弹射座椅的外流场进行计算 ， 因此计 算流域采用了球形 ， 流场区域见图 ３ 。 为了减少计 算量 ， 计算域的取得要尽可能小 ， 在所取区域的边 界上需要给定何时的边界条件 ， 它要求在数学上满 足适定性 ， 在物理上具有明显而确切的意义 。 笔者 在数值计算时取计算域为参考长度的 ８ 倍左右 ， 在 远场边界上采用远场 Riemann 不变量无反射边界条
行广泛的数值计算和具体型号应用 ， 现已投入工程 。 国内在这方面还处于起步阶段 ， CFD 技术在弹
射座椅气动特性上的研究基本上是个空白 。 笔者尝 试将 CFD 技术应用到弹射座椅的气动特性研究中 。
１ 计算原理
1畅1 计算原理及过程 用计算流体力学方法对弹射座椅的外流场进行 计算就是采用数值计算的方法对描述弹射座椅外流 场的控制 方程 进行 求 解 。 描 述 流 体 流 动 一 般 采 用
式中 ρ 矪 矪 xk
矪ε 矪ε 为非稳态项 ； ρuk 为对流项 ； 矪 xk 矪t η＋ ηt 矪 ε 为扩散项 ； σε 矪 xk
图 5 攻角为 45°时的流场流线图 Fig畅５ Attack angle ４５°path line
C１ ε 矪 ui 矪 ui 矪 uj ηt ＋ 为产生项 ； k 矪 xj 矪 xj 矪 xi C２ ρ ε 为消失项 。 k
侧滑情况下的阻力系数 、 升力系数 、 俯仰力矩系数 的计算值与试验值的比较 。从图中可以看到 ， 利用 果随攻角变化的趋势是基本一致的 ， 都接近于正弦 变化 。 由弹 射 座 椅 的 几 何 外 形 可 知 ， 攻 角 为 ０° ， １８０° ， ３６０°时 ， 来流吹袭座椅正面或背部 ， 座椅的 迎风面积最大 ， 相对应的阻力系数也是最大的 。 当 CFD 计算所得到的气动参数与风洞吹风所得到的结
［５］
： C１ ＝ １畅４４ ； C２ ＝ １畅９２ ； Cμ ＝ 图 6 Ma ＝ 0畅6 ， 攻角为 0°时的对称面静压分布 Fig畅６ Ma ＝ ０畅６ ， attack angle ０°static pressure contour on symmetry face
０畅９９ ； σx ＝ １畅０ ； σε ＝ １畅３ 。
方法 ， 利用 CFD 计算软件 Fluent 求解 N － S 方程 ， 对弹射座椅的外流场进行数值计算 ， 求得了弹射座椅不同姿态
［ 关键词 ］ 弹射座椅 ； 救生系统 ； 计算流体力学 （CFD） ； 气动参数计算
［ 中图分类号 ］ O３５ ； V２４４畅２１ ［ 文献标识码 ］ A ［ 文章编号 ］ １００９ － １７４２ （２００７） ０６ － ００５３ － ０５ 随着航空科技的发展 ， 战斗机性能得到了很大 提高 。 伴随飞机飞行性能的提高 ， 对弹射座椅救生 性能的要求也越来越高 ， 对弹射座椅姿态轨迹控制 的研究需要大量气动参数的支持 。 传统的获取气动 参数的方法主要是对座椅进行风洞吹风试验测量 ， 耗费大量的人力物力 ， 而且受到试验条件和设备的 制约 ， 所获得的气动参数的数量无法满足研究的需 要 。 如何得到大量的气动参数已经成为弹射座椅姿 态轨迹控制研究中亟 需解 决 的首 要问题 。 随 着 ２０ dynamics ， CFD） 技 术 的 发 展 ， 利 用 数 值 模 拟 方 法 世纪 ９０ 年代以来计算流体力学 （ computational fluid 获得弹射座椅的气动参数成为可能 。 从 ９０ 年代初 开始 ， 国外就开始尝试用数值方法研究座椅气动特 性 ， 其发展过程经历了从二维到三维 、 从求解欧拉 方程 、 附面层的 N － S 方程到求解全流场 N － S 方 程的数值方法 。 目前 ， CFD 已经成功用于座椅气动 深入分析 。 除了研究定常流动和座椅在空中自由飞 行状态以外 ， 还开展了座椅离机过程中机身与座椅 之间的相互干扰以及非定常流动问题的研究 。 美国 司 （ CFD Research Corporation） 具体承担飞机弹射救 海军武器中心 （ NAWC） 飞机局还资助 CFD 研究公
郁 嘉等 ： 弹射座椅气动参数的数值计算
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由于弹射座椅的外流场是高雷诺数下的流动 ， 需要考虑湍流脉动的影响 。 为了更准确地模拟湍流 流动 ， 并使雷诺平均 N － S 计算方程封闭 ， 需要在 标准 k － ε 二方程模型 ， 湍流粘度按下式确定 μt ＝ ρCμ k 桙ε ，
域则使用比较粗的网格 ， 在保证网格整体质量的前 提下尽量减小网格数目 ， 以减少计算量及收敛的稳 定性 。 网格从密到疏的过程要缓和 ， 以保证物理量 的光滑过渡 。 在此原则下最终划分出来的网格单元 数约为 １２０ × １０ 。 弹射座椅的表面网格见图 ２ 。
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立弹射座椅的几何外形 ， 在此基础之上进行网格划 分 ， 以每一个网格单元为一个控制容积 ， 通过对控 制容积的积分得到离散方程 ， 然后对离散方程进行 迭代求解 。 1畅2 建立弹射座椅几何模型 的几何建模采用了工程 CAD 软件 ， 借助 CAD 软件 弹射座椅的几何外形非常复杂 ， 因此弹射座椅